CC BY
26
УДК 629.114.2.073.286
ВПЛИВ ПЛАВНОСТ1 ХОДУ КОЛ1СНИХ ТРАКТОР1В НА НАВАНТАЖЕН1СТЬ
ТРАНСМ1С11
Б.1. Кальченко, проф., д.т.н., О.Ю. Ребров, доц., к.т.н., А.П. Кожушко, ст. викл., к.т.н., Нац1ональний техшчний унiверситет «ХП1»
Анотаця. Описано nidxid до визначення залежност1 навантаженост1 трансм^сИ трактора типу ХТЗ-150К eid рiвня плавностi його ходу. Наведено результати теоретичних до^джень i натурних випробувань тд час руху по грунтовт дорозi та бруювщ; на зоратй стерт озимог пшенищ. Визначено передавальну функцт пiдвiски, яка описуе плавтсть ходу колiсного трактора. Обчислено передавальну функцт трансмiсiг, яка грунтуеться на визначенн наванта-женостi вузлiв трансмiсiг.
Ключов1 слова: колiсний трактор, плавтсть ходу колiсного трактора, навантажетсть тра-нсмiсiг, передавальна функщя.
ВЛИЯНИЕ ПЛАВНОСТИ ХОДА КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ НА НАГРУЖЕННОСТЬ ТРАНСМИССИИ
Б.И. Кальченко, проф., д.т.н., О.Ю. Ребров, доц., к.т.н., А.П. Кожушко, ст. преп., к.т.н., Национальный технический университет «ХПИ»
Аннотация. Описан подход по определению зависимости нагруженности трансмиссии трактора типа ХТЗ-150К от уровня плавности его хода. Приведены результаты теоретических исследований и натурных испытаний при движении по грунтовой дороге и булыжной дороге; на вспаханной стерне озимой пшеницы.
Ключевые слова: колесный трактор, плавность хода колесного трактора, нагруженность трансмиссии, передаточная функция.
EFFECT OF SMOOTH RUNNING OF WHEELED TRACTORS ON LOAD
OF TRANSMISSION
B. Kalchenko, Prof., DSci, A. Rebrov, Assoc. Prof., PhD, A. Kozhushko, PhD., Assist. Prof., National Technical University «KhPI»
Abstract. The article describes the approach to determining the transmission load of a tractor of KhTZ-150K type depending on the level of its running smoothness. The results of theoretical calculations and field tests of movement on the ground road at a speed of10, 20, 30 km/h and on the boulder road at a speed of 20 and 30 km/h are given.
Key words: wheeled tractor, wheeled tractor smooth running, transmission load, transmission function.
Вступ
Щц час руху трактора по польових i дорож-шх нерiвностях вщбуваеться цеформування шин, яке викликае додатковий отр руху i крутний момент на колесах. Для сталого режиму роботи момент, що розвиваеться дви-гуном, врiвноважуе постшну складову реак-ци зовшшнього середовища. Змшна частина
впливу як момент опору коченню, прикладе-ний до колю, е по вщношенню до трансмюп збуренням, яке визначае коливання системи.
Дослщження динамiчних навантажень у тран-смюи тракторiв дозволить виршити ряд ва-жливих практичних завдань щодо тдвищен-ня 1х техшчного рiвня надшносп й тим самим тдвищить 1х експлуатацшш показники i
конкурентоспроможнють на внутршньому 1 зовшшньому ринках. При постшнш експлуа-тацп трактора виявляеться, що трансмгая мае недостатнш ресурс роботи. Режими наванта-ження визначаються внутршшми { зовшш-шми чинниками. Виявлення всього спектра навантажень на детал1 трансмюи на стадп проектування е важливим науково-практич-ним завданням.
Аналiз публжацш
Анал1з наукових робгт, присвячених ощню-ванню навантаженост трансмюи трактор1в тд час виконання р1зних технолопчних опе-рацш, показуе р1зноплановють цих робгт [1-5]; шод1 не враховуеться весь спектр дда-чих навантажень. У зв'язку з цим актуальним е дослщження питань, пов'язаних з визна-ченням р1вня навантажень на трансмюда, викликаних роботою трактора на р1зних аг-рофонах 1 дорогах.
Мета i постановка завдання
На рис. 1 наведено систему, екв1валентну коливальнш систем1 трансмюи трактора, в яку входять приведет маси та сумарна тд-датливють трансмюи та шин.
Рис. 1. Коливальна система трактора
За допомогою опису коливальних момента, як навантажують пружш ланки коливально! системи, вщбувалось обчислення навантаже-ност трансмюи.
Метою ц1е! роботи е розробка науково-практичного тдходу до визначення наван-таженост пдромехашчно! стутнчасто! трансмюи колюних трактор1в типу ХТЗ-150К при вплив1 нер1вностей дороги.
Для визначення навантаженост елемента трансмюи вщ нер1вностей дороги необхщно виршити таю науково-практичш завдання { знайти:
- передавальну функщю коливально! системи мехашчно! трансмюи за допомогою опису коливань момента, що навантажують податлив! дшянки;
- скласти диференщальш р1вняння, що опи-сують плавнють ходу колюного трактора з двома ведучими мостами;
- розробити метод ощнювання впливу нер1в-ностей дори-, використовуючи лабораторно-польов1 експериментальш дослщження плав-ност ходу, на навантаженють трансмюи трактора.
Передаточна функщя трансмкн
У процес дослщження з'ясовано, що нер1в-ност дор1г впливають на роботу трансмюи низькочастотними власними коливаннями, при цьому високочастотними власними ко-ливаннями переважно нехтують.
Диференщальш р1вняння коливальних момента виглядають так
М т1 + Ь • М т1 + а1 • Мт1 + Ь2 • М т2+
+а2 • Мт2 - Ь3 • М ш1 - а3 • Мш1 = а3 • Мк1^);
М т2+Ь4 • М т2+а4 • Мт2 + Ь5 • М т1 +
+а5 • МТ1 - ь6 •Мш2- а6 • Мш2 = а6 •М^);
М ш1 + Ь7 • М ш1 + а7 • Мш1 - Ь8 • М т1 -
-а8 •Мт1 =-а8 •Мк1(t);
М ш2 + Ь9 • М ш2 + а9 • Мш2 - Ь10 • М т2 -
-а10 •Мт2 =-а10 •Мк2(0;
С С С С
де а = —- + —-; а = —-; а = - т1 •
(1)
дв к1
дв
к1
С С С С
«4 = С2 + С2; «5 «6 = т2 •
С
С
<дв 1к2
1
дв
С
1
к2
= + Сш¡ц = Чпь а = Сщ2 + Сщ^
7 1 1 3 9 1 1 '
1 к2 1 а2
С
ш2
Кт1 Кт
Кт2 • Ст
«10 ; Ь = ^+ Ь2 = ——; 1 г г Ст2 •
1
к2
дв к2
"'т2 дв
К, • С.
Ь = Кш1 • Ст1 ; ь = Кт2 + Кт2 ; Ь = -^т2 ;
Ьз С 1 • 11; °4 = 1 12; С1 • 1
ш1 к1 дв к2 т1 дв
Ь = Кш2 ' Ст2 .
Ь =
ло
Сш2 'I^
КТ1' Сш1;
СТ1' I
Кт2 ' Сш2
Ь =
С ' I
т2 ,ук2
Ь =
Кш1 + Кш1
I к1 I а1
Кш2 + Кш2
I к2 I а2
Розглядаючи вимушенi коливання, на основi сформованих диференщальних рiвнянь, знайдемо передаточнi функци, яю будуть визначенi окремо при впливi на колеса пе-реднього та заднього моспв
Ж
'' д
мт1 /м,
5) =
Ж
Мт2/Мк1
(5) =
Ж
'' д
мт1/мк2 (5) =
Ж
Мт2/Мк2
(5) =
М т1( 5). Мы( 5)'
Мт2 (5). Мы( 5)'
М т1( 5). М ^2 (5)'
Мт2 (5)
М ^2 (5)'
(2)
(3)
(4)
(5)
Де ЖМт1/Мк1(5) - передаточна функщя вщ
впливу на колеса переднього моста до моменту, що навантажуе привод переднього моста; ЖМт2/Мк1( 5) - передаточна функцiя вщ впли-
ву на колеса переднього моста до моменту, що навантажуе привод заднього моста; ЖМт1/Мк2( 5) - передаточна функщя вщ впли-
ву на колеса заднього моста до моменту, що навантажуе привод переднього моста; ЖМт2/Мк2(5) - передаточна функщя вщ впли-
ву на колеса заднього моста до моменту, що навантажуе привод заднього моста.
Для складання математично! моделi коли-вань дослщжувано! системи скористаемося основним способом, який базуеться на рiв-нянш Лагранжа 2-го роду. Рiвняння склада-ються для кожно! маси, що входить до роз-рахунково! системи.
Одне з ршень може бути знайдене за допо-могою перетворення Лапласа, що може бути застосоване для радiального прогину шин передньо! осi / = q1 (I) - у1 та задньо!
/2 = q2 (*) - 72 .
Для колюного трактора типу ХТЗ з двома ведучими мостами маемо таю диференщаль-нi рiвняння коливань
Щ М1
р1
2 ' С М1
р1
2К М1
р1
'Уг
2 ' С М1
р1
У =0;
.. (2-Кр1+2'Кш1) . (2Ср1+2Сш1) У1+----У1+----Уг
(6)
2' Кр
2' С,
- '
р1
1
=2Кш1' ql(t)+2Сш1' ql(tУ;
г2 +-
2' К
ш2
М 2
г2 +-
2' С,
' 22
М
ш2 ' Z2 =
2' К
ш2
М 2
q2(t)+
2' С,
ш2
М 2
q2(t)■
Спектральнi щшьносп моментiв, що збурю-ють коливання у трансмюи, дiють на колеса переднього та заднього моспв
5м,1 = /2 'Г2 -СЩр1'\ЖЛ (т)| '5q (т); 5м, 2 = /2 'Г2-СШр2'\Ж/ 2 (т )|2 '5q (т ),
(7)
де / - коефщент опору коченню; гк - радь ус кочення колеса; Сшр - радiальна жорст-кiсть шин колеса; Ж/ (т) - передаточна функцiя пiдвiски ведучого моста
На основi обчислення рiвнянь (1-5) отри-мано можливють оцiнити завантаження трансмюи.
Передаточна функщя пщвкки
При складаннi диференщальних рiвнянь, що описують роботу у площинах пiдвiски, необ-хiдно скласти схему розрахунково! моделi трактора (рис. 2).
Ж (. ч (Сшр/М)2 Ж/ (т) =---
(Сшр/М)2 -т2
(8)
де т - поточне значення частоти; 5q (т) -спектральна щшьнють збурення фону.
Диференщальш рiвняння (6)-(8) дозволяють описувати плавнють руху колiсного трактора з двома ведучими мостами.
7
Ш
Ш
Рис. 2. Схема розрахунково! модел1 трактора
Перевiрка запропонованого пщходу до ощнювання навантаженостi трансмкн
Пщ час проведення дослщно-конструкторсь-ких робгт з модершзацп трактора ХТЗ-150К, з метою подальшого полшшення його техш-ко-економ1чних показниюв, постала необхщ-нють перев1рки можливост й доцшьност встановлення шин бшьшого д1аметра 1 ван-тажошдйомносп модел1 600-665 замють се-ршних шин модел1 530-610Р. Жорстюсть шин 600-665 нижче жорсткост шин 530-610Р. Це дало можливють зробити припу-щення щодо анулювання ресор I амортизато-р1в. Теоретичш та експериментальш досль дження були проведеш спшьно з АТ «ХТЗ» та кафедрою автомобше- I тракторобудуван-ня НТУ «ХП1». Плавнють руху ощнювали за максимальними прискореннями вертикаль-
них 1 поздовжньо-кутових коливань рами 1 вертикальних коливань на сидшш вод1я. Плавнють ходу дослщжували на фонах, ха-рактерних для тягових { транспортних робгт. Крок { висоту нер1вностей було взято такими: I = 0,7 { 1,4 м, qo = 0,04 м; I = 3 { 8 м, qo = 0,06 м. Системи диференщальних р1внянь виршува-лися спшьно. Результати наведеш на рис. 2-4.
На нер1вностях 1з кроком 8 { 3 м найменший р1вень вертикальних { кутових коливань остову спостер1гаеться у модершзованого трактора ХТЗ-150К з ресорами. Найбшьш1 прискорення в резонанснш зош мае трактор без ресор (рис. 3). На нер1вностях ¡з кроком 1,4 { 0,7 м максимальш вертикальш прискорення на рам1 сершного 1 модершзованого трактор1в е практично однаковими (рис. 4).
4 6
а
V, м/с
ю 12 V, м/с
ю 12 V, м/с
Рис. 3. Максимальш прискорення на рам1 трактор1в: а - вертикальш прискорення (1=8 м); б - вертикальш прискорення (1=3 м); в - поздовжньо-кутов1 прискорення (1=8 м); г - поз-довжньо-кутов1 прискорення (1=3 м); о - ХТЗ-150К; х - модершзований ХТЗ-150К без ре-сор; • - модершзований ХТЗ-150К з ресорами
б
в
г
¿р, м/с' 20 15 10 5
1
/ 1, У
к
Г X
¿р, м/с
4 6 V, м/с а
б V, м/с
Рис. 4. Максимальш вертикальш прискорення на рам1 трактор1в: а - 1=1,4 м; б - 1=0,7 м; о - ХТЗ-150К; х - модершзований ХТЗ-150К без ресор; • - модершзований ХТЗ-150К з ресорами
Прискорення на сидшш вод1я модершзова-ного трактора без ресор перевищують при-скорення на сидшш сершного трактора ХТЗ-150К в 1,5-2 рази, в той час як у модер-шзованого трактора з ресорами р1вень при-скорень на сидшш в 1,3-1,8 рази нижче, шж у сершного трактора шд час руху на вс1х до-слщжуваних фонах. Це пояснюеться тим, що власш частоти шдвюки остова \ сидшня тра-
ктора без ресор е близькими за величиною: /спд = 1,5 Гц, /спд = 1,5 -1,6 Гц. У трактора з ресорами перша власна частота дор1внюе 1,24 Гц. Д1апазон збурювальних частот 1,42,5 Гц (рис. 5).
Експериментальш дослщження плавност ходу проводили на грунтовш та бетоннш дорогах з використанням транспортних пере-
дач. У ходi дослщжень фшсували вертикаль-нi прискорення на сидшш водiя i рамi трактора над передшм i заднiм мостами.
Результати експериментальних дослщжень наведеш на рис. 6, 7. Аналiз експериментальних даних показуе, що зi зростанням швидко-стi руху вщ 14 км/год (3,9 м/с) до 29 км/год (8 м/с) на грунтовш дорозi середньоквадра-тичнi прискорення на сидшш водiя на серш-ному тракторi ХТЗ-150К змiнюються вщ 0,16g до 0,34g, а на модершзованому тракто-рi без ресор - вщ 0,24g до 0,38g, тобто в 1,4 -1,5 рази вище. При цьому середньоквадрати-чнi прискорення рами над передшм мостом в обох тракторiв е практично однаковими i змiнюються вщ 0,13g до 0,36g■ Прискорення рами над колесами заднього моста у сершно-го трактора ХТЗ-150К змшюються вщ 0,11g до 0,23g, а у модершзованого - вiд 0,^ до 0,38g■ Отже, за швидкостей 14-15 км/год
V, м/с
а
в
прискорення над задшм мостом в обох варiа-нтах е практично однаковими, але зi зростанням швидкосп до 29 км/год прискорення рами трактора без ресор в 1,6 рази бшьше, шж рами трактора з ресорами.
Пщ час виконання транспортних робгт на асфальтобетоннш дорозi прискорення на сидшш водiя на модернiзованому тракторi ХТЗ-150К зi зростанням швидкостi вщ 20 до 30 км/год змшюються вщ 0,19g до 0,26g, а на сершному ХТЗ-150К - вщ 0,14g до 0,18g■ Отже, на тракторi без ресор прискорення на сидшш водiя в 1,33-1,45 рази бшьше, шж на серiйному трактора
Для аналiзу частотних характеристик при-скорень на сидiннi водiя тракторiв були тд-рахованi !х кореляцшш функцп та спектра-льнi щшьносп.
2С, м/с2
А
й А
V \ )
0 2 4 6 8 10 12 14
V, м/с
б
г
Рис. 5. Максимальш вертикальш прискорення на сидiннi водiя тракторiв пiд час руху за рiзно-манiтними фонами: а - 1=8 м; б - 1=3 м; в - 1=1,4 м; г - /=0,7 м; о - ХТЗ-150К; х - модерш-зований ХТЗ-150К без ресор; • - модершзований ХТЗ-150К з ресорами
2, м/с2
0,2§
0,18
Д-"
20
25
'I
V, км/год
Рис. 6. Середньоквадратичне прискорення на сидшш водш тракторiв iз причепом ПТС-9 пщ час виконання транспортних робгг на асфальтобетоннш дорозi: 1 - модернiзований ХТЗ-150К; 2 - ХТЗ-150К
м/с
23ё 228 21ё
11 V, км/год
Рис. 7. Середньоквадратичне прискорення на вузлах тракторiв тд час виконання транспортних
робiт на сухш rрунтовiй дорозi:-- ХТЗ-150К;----- модершзований ХТЗ-150К; 1 - си-
дiння водш; 2 - рама над передшм мостом; 3 - рама над задшм мостом
Аналiз кореляцiйних функцш показуе, що в коливальному проце^ мае мiсце перiодична складова, причому перюд 11 коливань практично не залежить вщ швидкостi руху трактора i становить 0,455-0,5 с.
Аналiз спектральних щiльностей вертикаль-них прискорень сидiння водш як стандарт-них, так i модершзованих тракторiв ХТЗ-150К, показуе, що основна частота становить 2-2,2 Гц i практично не залежить вщ швид-костi руху трактора. У разi виконання трактором без ресор орних робгг на стерт пше-ницi на глибину 30 см прискорення на сидш-ш склало 0,16g (поверхневий шар землi на глибинi 2-3 мм був мерзлим).
Висновки
Оцiнка навантаженостi трансмiсГí вiд впливу дороги проведена для випадку руху по Грун-товш дорозi зi швидкiстю 10, 20, 30 км/год; по брукшщ зi швидкiстю 20 i 30 км/год; по зоранш стернi озимо! пшенищ зi швидкiстю 10 км/год. Дослщження показали, що найбь льшi навантаження сприймае трансмюш трактора тд час руху по Грунтовш дорозi зi швидкiстю 20 км/год. Величина моменту, що навантажуе трансмiсiю при робот трактора з одним ведучим мостом, в 4 рази вище, н1ж при роботi з двома ведучими мостами.
Для визначення впливу шдресорювання остова трактора на навантаженють трансм^1
було розглянуто BapiaHT трактора без ресор. Результати розрахунку показали, що за вщ-сутност ресор у переднш шдвющ остова се-редньоквадратичне значення моменту, що навантажуе шввюь, в 1,3-1,4 рази перевищуе значення моменту на твосях трактора з ре-сорною пiдвiскою.
Це ще раз пiдкpеслюе iстотну роль впливу коливань трактора не тшьки на умови пращ водiя i навантаженють несучо! системи, але i на формування навантажень у трансмюи.
Лггература
1. Шупляков В.С. Колебания и нагружен-ность трансмиссии автомобиля / В.С. Шупляков. - М.: Транспорт, 1974. - 328 с.
2. Барский И.Б. Динамика трактора / И.Б. Барский, В.Я. Анилович, Г.М. Куть-ков. - М.: Машиностроение, 1973. -280 с.
3. Дубинин Е.А. Оценка нагруженности катков с учетом перераспределения вертикальной нагрузки между бортами гусеничного трактора / Е.А. Дубинин, А.С. Полянский, А.Г. Хворост // Вюник ХНТУСГ iм. П. Василенка. Проблеми надшносп машин та зaсобiв мехашзацп сшьськогосподарського виробництва: зб. наук. праць. - 2009. - Вип. 80. -С.79-86.
4. Кальченко Б.И. Нагруженность трансмиссии трактора типа Т-150 при управляемом дрижении на пахоте / Б.И. Каль-ченко, Н.Е. Сергиенко // Техшчний сер-вю агропромислового, люового та транспортного комплексу. - 2016. - №5. -С.95-100.
5. Кальченко Б.1. Пщхщ до визначення за-вантаженост трансмюи колюного трактора при впливi неpiвностей поверхш / Б.1. Кальченко, 1.С. Чернявський, А.П. Ко-жушко // Техшчний сервю, агропромислового, люового та транспортного комплексу: науковий журнал . - 2017. - № 8. - С. 49-54.
Reference
1. Shupljakov V.S. Kolebanija i nagruzhen-nost' transmissii avtomobilja [Oscillations and loading of the vehicle powertrain], Moscow, Transport Publ., 1974, 328 p.
2. Barskij I B., Anilovich V.Ja., Kut'kov G.M. Dinamika traktora [Tractor dynamics], Moscow, Mashinostroenie Publ., 1973, 280 p.
3. Dubinin E.A., Poljanskij A.S., Hvorost A.G. Ocenka nagruzhennosti katkov s uchetom pereraspredelenija vertikal 'noj nagruzki mezhdu bortami gusenichnogo traktora [Evaluation of the loading of rollers taking into account the redistribution of the vertical load between the tracks of the caterpillar tractor], Visnik HNTUSG im. P. Vasilenka [Bulletin KNTUA them. P. Vasilenko], 2009, vol. 80, pp. 79-86.
4. Kal'chenko B.I., Sergienko N.E. Nagru-zhennost' transmissii traktora tipa T-150 pri upravljaemom dvizhenii na pahote [Load-bearing capacity of the T-150 tractor transmission with controlled movement on the plow]. Tehnichnij servis agropromis-lovogo, lisovogo ta transportnogo kom-pleksu [Technical service of agroindustrial, forestry and transport complex], 2016, vol. 5, pp. 95-100.
5. Kal'chenko B.I., Chernyavs'kyy I.S., Ko-zhushko A.P. Pidkhid do vyznachennya zavantazhenosti transmisiyi kolisnoho traktora pry vplyvi nerivnostey poverkhni [Approach to determination of load of transmission of a wheeled tractor under the influence of surface irregularities]. Tekhnichnyy servis, ahropromyslovoho, li-sovoho ta transportnoho kompleksu. Nau-kovyy zhurnal [Scientific journal technical service, agroindustrial, forestry and transport complex], 2017, vol. 8, pp. 49-54.
Рецензент: С.М. Шуклшов, професор, д.т.н.,
ХНАДУ.
